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第三代新能源客车低温热泵空调系统
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国家“绿色能源汽车”发展规划:到2020年,城市公共交通领域的新能源电动客车要达到20万辆。新能源客车的普及,要求空调系统能够满足各种极限工况的使用的要求。在北方地区,环境温度可达-20℃甚至更低,对低温制热能力有很高的要求。但因系统效率、运行可靠性等问题,市面上当前的大部分客车低温热泵空调只能在-7℃以上满足制热需求;当环境低于-7℃时,热泵性能急剧衰减、需采用PTC补充制热;此时整车能耗急剧上升,续航里程明显下降;当环境温度降低到-15℃时,绝大部分热泵空调系统已无法正常工作。

因此,实现在环境温度-20℃的情况下,空调系统高能效、可靠地运行,是新能源客车在北方地区大规模推广的重要支撑。

上海加冷松芝汽车空调股份有限公司在客车用低温热泵空调开发领域进行了大量工作,在当前已大批量供货的两代热泵空调系统的基础上,成功开发了国内第一款适用于-25℃环境的第三代低温热泵空调系统(LHA系列)、并实现批产。

 

图1 第三代低温热泵空调系统(LHA系列)

二、第三代低温热泵系统关键技术简介

1、系统架构

第三代客车低温热泵热管理系统原理如下图,包括低温热泵空调系统和电池热管理系统两部分。

 

图2 第三代客车低温热泵热管理系统原理图

2、适用于低环境温度的电动压缩机

电动压缩机在低环境温度下的可靠性,是客车热泵空调系统的关注重点。上海加冷松芝联合爱默生共同开发了QST专用低温热泵压缩机;该压缩机采用R407C和R410A为制冷剂,对低温下的压缩机回油和润滑进行了特殊设计,具有高可靠性、高效率等特点;产品结构如下图。

 

图3 压缩机产品结构图

3、换热器的优化设计

基于松芝专利的变流程换热器,换热效率同比提高20%左右,从而提升制冷、制热性能。

基于CFD技术的分液头精细设计,室外散热器在制热工况下分液更均匀,换热效率提高30%,除霜频次延长到3h一次、达到常规系统的3倍。

4、电子膨胀阀优化设计

采用低温专用电子膨胀阀,双向流设计,双向MOPD 均达35bar、控制稳定,关闭能力达到电磁阀级别、支持抽空停机,极小的正反向流量回差、避免恶性失步。简单的完全线性流量控制、便于实现多种控制目标,单对极电机、兼容主流控制器,初始步数考虑低温时电池热管理和超低温热泵兼容;同时,该阀件的可靠性高,可适合各种恶劣工况。

5、自适应变频控制技术

开发了具有自主知识产权的自适应变频控制技术,根据环境温度、车内温度、设定温度进行自适应调节,实现节能运行;风机和压缩机同步变频,实现最优节能运行。

 

图4 变频控制器

此外,采用多合一集成控制器,EMC性能大幅度提升。还开发了专用的防冻系列产品,解决了风机遇水冻结后空调无法运行的问题。

三、成果创新点和技术难点

以开发高能效、轻量化、智能化的低温热泵冷暖空调,主要实现以下技术创新:

1)实现空调在环境温度-25℃可靠运行、-15℃满足整车采暖需求;在标准制热工况下(TB/T 1804-2009),能效比≥2.4;在-15℃环境下,较常规热泵空调节能可达45%;

2)低温制热专用电动压缩机技术,变流程换热器、分液技术,提高制热效率、减少除霜频次;

3)具有自主知识产权的自适应变频控制技术,采用多变量联合控制,实现最优节能运行。

四、技术水平和市场前景

目前,市面有部分低温热泵产品应用的案例,但当环境温度低于-7℃时,性能急剧衰减、无法满足整车热负荷;当环境温度降低到-15℃时,已无法正常工作。

上海加冷松芝在客车热泵空调系统开发和应用领域长期处于国内领先地位,所开发的第三代低温热泵空调系统能在-25℃正常运行、-15℃满足整车热负荷。基于此技术申请的“新能源汽车低温变频热泵空调关键技术与应用”项目,获得2017年机械工业科学技术进步二等奖。目前,第三代低温热泵空调系统已实现批产、并在北京等市场使用,客户反馈良好。

随着我国新能源客车在北方地区的大力推广,预期以松芝LHA系列为代表的第三代低温热泵空调系统将得到迅速普及。



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